進入人防工程的架空線纜對HEMP耦合特性研究

袁繼綱,陳海林,毛自文

(1.浙江省地下建筑設(shè)計院,浙江 杭州　310012;2.解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與光電技術(shù)實驗室,江蘇 南京　210007;3.中國人民解放軍第73698部隊,江蘇 南京　210007)

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進入人防工程的架空線纜對HEMP耦合特性研究

袁繼綱1,陳海林2,毛自文3

(1.浙江省地下建筑設(shè)計院,浙江 杭州310012;2.解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與光電技術(shù)實驗室,江蘇 南京210007;3.中國人民解放軍第73698部隊,江蘇 南京210007)

摘要高空核電磁脈沖(HEMP)能量可經(jīng)長導(dǎo)體(如架空電力線、架空通信線等)耦合進入人防工程,而與這些長導(dǎo)體相連的電力、電子設(shè)備有可能遭受損壞。文中采用有損耗地面上傳輸線模型,通過數(shù)值仿真,研究架空線的長度、高度、負載阻抗、地面土壤電導(dǎo)率等參數(shù)與HEMP耦合特性的關(guān)系,為人防工程電磁脈沖防護提供依據(jù)。計算結(jié)果表明,在HEMP照射作用下,在50 m～1 km長的架空線的負載上能產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅度達幾十千伏到上百千伏,感應(yīng)電壓的上升時間約在20 ns。

關(guān)鍵詞HEMP;架空線;耦合;土壤電導(dǎo)率;有耗傳輸線

在信息化戰(zhàn)爭中,不僅要求人防工程抗得住核武器爆炸產(chǎn)生的沖擊波、熱輻射、核輻射等效應(yīng),而且必須確保電子、電氣系統(tǒng)能夠在核電磁脈沖環(huán)境中安全運行。解決人防工程的電磁脈沖防護問題,提高人防工程在信息化戰(zhàn)爭中的整體防護能力與綜合防護能力是一項迫切而艱巨的任務(wù)。

核爆炸時,電磁脈沖能量經(jīng)各種耦合途徑,可進入人防工程內(nèi)部,使其中的敏感電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)受到干擾與損傷。以核電磁脈沖環(huán)境中的坑道式人防工程為例,電磁脈沖能量的主要耦合渠道有:對坑道工事自然防護層和鋼筋混凝土被覆層的直接穿透;工事外露天線的接收;孔口耦合;電線、電纜和金屬管道的耦合等[1]。

高空核爆炸時地球上凡能看到爆點的地方皆能受到電磁脈沖的影響。取爆高為40 km,則電磁脈沖覆蓋的地面半徑為712 km;爆高為80 km時,覆蓋半徑達1 000 km。因此,暴露在高空核爆炸電磁脈沖環(huán)境中的長導(dǎo)體可能收集到巨大的能量。而與這些長導(dǎo)體相連的電力、電子設(shè)備就可能遭受損壞。

核武器高空爆炸時,在地面附近,HEMP可分為早期、中期和晚期3個部分,按照國際電工委員會(IEC)制訂的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-2-9 高空核電磁脈沖環(huán)境——輻射騷擾的描述[2],HEMP早期部分的時域表達式為

E(t)=E0k(e-at-e-bt)

(1)

早期E0=50 000V/m,a=4×107s-1,b=6×108s-1,k=1.3,其上升時間和半峰值寬度分別為2.5ns和23ns。

HEMP早期部分通過天線、建筑物孔洞和一些長短導(dǎo)線,可耦合到中頻、高頻、甚高頻和某些超高頻頻段的無線電設(shè)備中[1-3]。當(dāng)作用于各種固定、移動、可運載的陸基系統(tǒng)以及飛機、導(dǎo)彈、水面艦艇的電子設(shè)備和部件時,可使之出現(xiàn)臨時性故障或遭永久性破壞。因此,所有陸地上、水面上和機載的軍用系統(tǒng)和設(shè)備基本上均必須考慮對于HEMP早期部分的防護。

本文采用傳輸線理論,計算架空線的長度、高度、負載阻抗、地面土壤電導(dǎo)率等參數(shù)與HEMP耦合特性的關(guān)系,為人防工程電磁脈沖防護提供依據(jù)。

1計算HEMP對架空線纜耦合的方法

地面上的架空線可看作為半無限媒質(zhì)中單導(dǎo)體傳輸線,計算其終端負載響應(yīng)計算模型如圖2所示。該傳輸線的電報方程可用矩陣的形式表達[4-6]

(2)

圖1　半無限媒質(zhì)中單導(dǎo)體傳輸線終端負載響應(yīng)計算模型

考慮全電壓(泰勒)公式,負載電流可用對傳輸線上分布源的積分形式表示為

(3)

使用散射電壓(Agrawal)公式,分布激勵源項表示為

(4)

Z′(ω)=jωL′+Zg+Zω

(5)

(6)

式中,附加阻抗Zω是導(dǎo)體的內(nèi)阻抗;Zg是地面阻抗;Yg是大地導(dǎo)納。

Ianoz對有損耗地面上傳輸線的分布電感L′的計算中均將大地近似成對理想導(dǎo)體[4]。Vance直接給出了垂直極化平面波激勵下,有耗地面上架空的電報方程[6-9],其分布電感L′和電容值C′的計算與Ianoz相同。文中采用以上的傳輸線模型,但其分布電感L′的計算考慮了土壤電導(dǎo)率的影響[10]。

2HEMP對架空線纜的耦合的計算結(jié)果

(1)架空線長度對耦合特性的影響。計算模型如圖2所示,入射HEMP按照公式1,為均勻平面波,入射波的參數(shù)取θ=45°、Ψ=0、垂直極化;單導(dǎo)體傳輸線半徑r=2mm,距地高度h=10m、土壤電導(dǎo)率為σ=0.01S/m、架空線兩端負載均為20Ω;分別計算電纜長度L=50m,100m,500m,1 000m等4種情況。

計算結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?隨著架空線長度的增加,HEMP在架空線終端20Ω負載上的耦合電壓峰值從35kV增加到約54kV,上升時間約20ns。

圖2　架空線的長度對HEMP耦合響應(yīng)的影響

(2)架空線離地高度對耦合特性的影響。計算模型如圖1所示,入射HEMP按照式(1),為均勻平面波,入射波的參數(shù)取θ=45°、Ψ=0、垂直極化;單導(dǎo)體傳輸線半徑r=2 mm、土壤電導(dǎo)率為σ=0.01 S/m、電纜長度L=50 m、架空線兩端負載均為20 Ω;分別計算電纜距地高度h=0.8 m,1 m,5 m,10 m。計算結(jié)果如圖3所示。可以看出,隨著架空線離地高度的增加,HEMP在架空線終端20 Ω負載上的耦合電壓也增加,上升時間約20 ns。

圖3　架空線的高度對HEMP耦合響應(yīng)的影響

(3)架空線一端開路對耦合特性的影響。計算模型如圖1所示,入射HEMP如式(1)所示,為均勻平面波,入射波的參數(shù)取θ=45°、Ψ=0、垂直極化;單導(dǎo)體傳輸線半徑r=2 mm、土壤電導(dǎo)率為σ=0.01 S/m、電纜長度L=50 m、距地高度h=10 m。分別計算架空線兩端均20 Ω接負載、一端接20 Ω負載另一端為開路兩種情況時,另一端20 Ω負載上的耦合電壓。計算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?隨著架空線一端開路時,HEMP在架空線終端20 Ω負載上的耦合電壓為一衰減振蕩波形,其峰峰值可達140 kV。

圖4　架空線終端開路對HEMP耦合響應(yīng)的影響

3結(jié)束語

本文采用傳輸線理論,計算架空線的長度、高度、負載阻抗等參數(shù)與HEMP耦合特性的關(guān)系,結(jié)論如下:(1)隨著架空線長度從50 m增加到1 km,HEMP在架空線終端20 Ω負載上的耦合電壓峰值從35 kV增加到約54 kV,上升時間約20 ns;(2)隨著架空線離地高度的增加,HEMP在架空線終端20 Ω負載上的耦合電壓也增加,上升時間約20 ns;(3)隨著架空線一端開路時,HEMP在架空線另一個終端20 Ω負載上的耦合電壓為一衰減振蕩波形,其峰峰值可達140 kV。計算結(jié)果表明,在HEMP的照射作用下,在50 m～1 km～長的架空線的負載上能夠產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅度達幾十千伏到上百千伏,感應(yīng)電壓的上升時間約在20 ns。這對人防工程內(nèi)的電子、電氣系統(tǒng)構(gòu)成嚴重威脅,必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施,以確保內(nèi)部系統(tǒng)正常運行。

參考文獻

[1]李德鉅.人防工程核電磁脈沖設(shè)計[C].蘇州:第四屆全國電磁兼容學(xué)術(shù)交流大會,1996.

[2]IEC 61000-2-9.Description of HEMP environment-radiated disturbance[S].USA:IEC,1996.

[3]余同彬,周璧華.HEMP 作用下近地有限長電纜外皮感應(yīng)電流研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,3(1):8-12.

[4]Frederic M Tesche,Michel V Ianoz,Torbjorn Karlsson.EMC analysis methods and computational models[M].New York:John Wiley &Sons,Inc,1996.

[5]Frederic M Tesche.On the analysis of a transmission line with nonlinear teminations using the time-dependent BLT equation[J].IEEE Transactions on EMC,2007,49(2):427-433.

[6]謝彥召,王贊基,王群書.地面附近架高線纜HEMP響應(yīng)計算的Agrawal和Taylor模型比較[J].強激光與粒子束,2005,17(4):575-580.

[7]徐軍.多導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)的電磁兼容性分析[D].北京:北京郵電大學(xué),2010.

[8]孫蓓云,鄭振興,周輝,等.多芯屏蔽電纜電容的矩量法求解[J].強激光與粒子束,2000,12(6):749-752.

[9]鄭勤紅,解?，?蔡武德.多芯屏蔽電纜電容的多極理論分析[J].強激光與粒子束,2003,15(10):999-1002.

[11]Ma Ziwen,Gao Cheng,Chen Hailin,et al.The calculation method research on the distributed parameters of the transmission line in lossy semi-infinite medium[C].Hong Kong:2014 International Conference on Electrical and Electronic Engineering (EEE2014),2014.

HEMP Coupling Characteristics of Overhead Cable into Civil Air Defense Work

YUAN Jigang1,CHEN Hailin2,MAO Ziwen3

(1.Underground Architectural Design Institute of Zhejiang Province,Hangzhou 310012,China;2.PLA Electromagnetic Environment Effects and Optoelectronic Technology Laboratory University of Technology,Nanjing 210007,China;3.Troop 73698,PLA,Nanjing 210007,China)

AbstractThe huge power produced by high altitude nuclear explosion (HEMP) can be coupled into civil air defense shelters via long conductors (for example,overhead power and communication cables),resulting in the damage of power or electric equipments connected with them.The transmission line model above lossless ground is used in this paper.The coupling characteristics between HEMP and parameters including the length and height of overhead lines,load impedance,and ground soil conductivity are obtained by numeric simulation,which will provide the reference for electromagnetic pulse protection of civil air defense shelters.Calculation shows that under the illumination of HEMP,the amplitude of induced voltage produced in the load of overhead cables ranging from 50 m to 1 km can reach up to tens of kilovolts to hundreds of kilovolts with a rise time of induced voltage of about 20 ns.

KeywordsHEMP;overhead cable;coupling;soil conductivity;lossless transmission lines

中圖分類號TN011

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-127-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.033

作者簡介:袁繼綱(1970—),男,高級工程師。研究方向:建筑電氣。

收稿日期:2015- 08- 27